基于EPLD的PCI總線仲裁器的設計與實現(xiàn)

隨著VLSI/ULSI技術的發(fā)展，可編程邏輯器件EPLD/FPGA越來越受到人們的青睞，由于它具有集成度高、速度快、開發(fā)周期短、費用低、用戶可定義功能及可重復編程和擦寫等許多優(yōu)點，其應用領域不斷擴大。這些器件的靈活性和通用性使得它們已成為研制和開發(fā)復雜數(shù)字系統(tǒng)的理想選擇。
　　在PCI總線技術規(guī)范的基礎上，采用EPLD實現(xiàn)了高速PCI總線背板中多主控設備的總線仲裁。
1 PCI總線的仲裁機制
　　PCI總線仲裁是基于訪問而不是基于時間片，也就是說，對于一個PCI總線主設備，必須為它在總線上進行的每次訪問提出仲裁要求。PCI總線上采用的是并行仲裁(也叫獨立請求仲裁)方案，其仲裁機制如圖1所示。在這種仲裁中，每個主控器各有自己獨立的總線請求線_REQ 和總線允許線_GNT 與總線仲裁器相連，相互間沒有任何控制關系。仲裁器直接識別所有設備的請求，并根據(jù)一定的優(yōu)先級仲裁算法選中一個設備Ci ，向它直接發(fā)出總線允許信號_GNTi。PCI總線的仲裁是“隱含的”，就是說一次仲裁可以在前一次總線訪問期間完成，這樣就使得仲裁的具體實現(xiàn)不必占用PCI總線周期。當然在總線空閑時除外。
　　在實際的PCI總線仲裁電路中，與仲裁直接有關的控制線除_REQ和_GNT外，還有_FRAME、_IRDY。此外，為了保證總線交換的同步，還應有一根總線時鐘信號PCIclk和一根總線復位信號_PCIrst，如圖1虛線所示。

2 總線的缺省占用
　　所謂總線的缺省占用，就是指在當前沒有設備使用總線或請求總線的情況下，允許仲裁器根據(jù)一定的方式選定一個設備作為總線缺省的擁有者，并向它發(fā)出_GNT信號。選擇的方式有多種，如可為某一固定設備，也可為最后一次使用總線的設備，當然也可以指定自己(仲裁器本身)為總線缺省的擁有者。
　　當仲裁器將某一設備確定為總線的缺省擁有者時,該設備可以不通過發(fā)_REQ信號就開始一次總線操作(只要總線空閑且_GNT信號有效)。但要注意的是：如果該設備需要做多次的數(shù)據(jù)傳輸，它就應當發(fā)出_REQ信號，以便向仲裁器提出多次操作的請求；而如果該設備只要求做一次總線操作，它就不應當發(fā)出_REQ信號，否則仲裁器可能在它不需要使用總線的情況下又給它發(fā)出_GNT信號。
3 仲裁信號協(xié)定
　　綜上所述， PCI總線的仲裁主要是通過_REQ和_GNT兩個信號來實現(xiàn)的。前者用于某一設備要求占用總線的請求，后者用于允許某一設備占用總線的應答。而對于一個PCI總線主控器，必須在它真正需要總線時才能發(fā)出_REQ信號，絕不可以用_REQ信號把自己“?？俊?在總線上。只有總線仲裁器才可以指定誰是總線缺省的擁有者。
　　當仲裁器允許某一設備使用總線時，就向該設備發(fā)出_GNT信號；相反，當仲裁器不再允許某一設備擁有總線控制權時，可以在任意時鐘撤消該設備的_GNT信號。所以，每個總線主控器在開始一次PCI總線操作時，一定要確知此時它們的_GNT信號是否有效。如果_GNT信號無效，這次操作就不可以進行。
　　PCI總線的仲裁信號之間必須遵循一定的協(xié)定，具體描述如下：
　　? 若_GNT信號撤消而_FRAME有信號，當前的總線操作是合法的，并將繼續(xù)下去；
　　? 若總線不是處于空閑狀態(tài)，有可能一個_GNT的撤消碰巧是另一個_GNT發(fā)出的同時，但如果是在空閑狀態(tài)，則要求一個_GNT撤消到下一個_GNT的發(fā)出之間必須有一個時鐘周期。否則可能會在AD線和PAR線上出現(xiàn)沖突；
　　? 當_FRAME無信號時，_GNT可以在任意時間撤消，以便服務于另一個主設備，或者作為對相應的_REQ撤消的響應；
　　? _GNT信號的每次發(fā)出，只限于相應的總線主控器可以使用總線進行一次總線操作。若該主控器還想做多次總線訪問時，可以保持它的_REQ信號一直有效。此時，如果沒有其它請求，或者當前的主控器具有最高優(yōu)先權，仲裁器就會繼續(xù)批準總線給當前主控器；
　　?一個主控器可以在任意時刻撤消其_REQ信號，但要注意，_REQ信號一旦撤消，仲裁器將認為該設備不再請求使用總線，因而撤消其_GNT信號。若一個主控器只希望做一次總線傳輸，它應當在發(fā)出_FRAME的同一時鐘周期撤消_REQ；
　　?如果當前的主控器在它的_GNT信號發(fā)出之后(_REQ也一直有效)，持續(xù)16個空閑周期還沒有開始總線操作，仲裁器就可以認為當前的主控器“已壞”。因而，仲裁器可以在任意時刻撤消_GNT信號，以便服務于一個優(yōu)先級更高的設備。
4 優(yōu)先級仲裁算法
　　為了合理地控制和管理系統(tǒng)中需要占用總線的數(shù)據(jù)源，PCI仲裁器必須實現(xiàn)一個特別的優(yōu)先級仲裁算法，以便在多個設備同時提出總線占用請求時，能依據(jù)該仲裁算法判決出哪個設備應獲得對總線的控制權。總線仲裁可以確保任何時刻總線上最多只有一個設備發(fā)送信息，而決不會出現(xiàn)多個主控器同時占用總線的情況。
　　由于總線仲裁算法從根本上說與PCI總線技術規(guī)范無關，所以設計者可以根據(jù)實際需要自由地進行選擇和修改。但要注意，設計時必須為所選用的I/O控制器及接插卡提供所要求的訪問延遲保證。
　　總線優(yōu)先級仲裁算法通常有兩種，一種是固定優(yōu)先級算法，一種是循環(huán)優(yōu)先級算法。但不管是哪一種仲裁算法，都必須滿足以下三個基本要求：
　　? 每一時刻只能有一個設備作為總線主控器；
　　? 先請求者先響應，且在一個總線操作周期之內(nèi)不被打斷；
　　? 同一時刻有幾個設備發(fā)出請求時，按優(yōu)先級排序響應。
　　所謂固定優(yōu)先級算法，就是指PCI總線中各主控器的優(yōu)先級是事先確定好的，在仲裁器仲裁過程中固定不變；而循環(huán)優(yōu)先級算法則不同，各主控器的優(yōu)先級在仲裁器的仲裁過程中不是一成不變，而是根據(jù)一定規(guī)律發(fā)生變化的。
　　表1給出了采用循環(huán)優(yōu)先級算法或固定優(yōu)先級算法時，PCI總線仲裁器中N個主控器的優(yōu)先級變化規(guī)律。

采用固定優(yōu)先級算法，可以對那些有重要數(shù)據(jù)傳輸、或有大量實時數(shù)據(jù)傳輸以及經(jīng)常需要占用總線的主設備賦予較高的優(yōu)先權，以便有效地利用PCI總線周期。固定優(yōu)先級算法的缺點是，它將規(guī)定每個PCI插槽的優(yōu)先級，這也就規(guī)定了接插卡的插放次序，從而造成了使用上的不便。另外，固定優(yōu)先級算法有時還會出現(xiàn)總線設備“撐死”和“餓死”的現(xiàn)象。相反，采用循環(huán)優(yōu)先級算法則可以克服這種“飽餓”不均的弊端。在循環(huán)優(yōu)先級算法中，由于其優(yōu)先級隨著每個總線周期動態(tài)地改變，各個設備在總線上的身份平等，獲得總線占用權的機會均等。所以，在一定意義上來說，優(yōu)先級循環(huán)是最公平的算法。循環(huán)優(yōu)先級的缺點是當處理某些設備的大批量實時數(shù)據(jù)時會造成效率的降低。正因如此，在實際中，常常將這兩種算法結合起來使用，以便構成更為靈活的仲裁機構。
5 仲裁器的EPLD編程設計
　　下面以支持5個總線主控器的PCI總線仲裁器為例，給出采用Altera公司的EPLD進行功能實現(xiàn)的主要設計思路，其中，所用編程語言為Altera公司的AHDL語言。該仲裁器采用循環(huán)優(yōu)先級仲裁算法，且總線的缺省擁有者指定為最后一次使用總線的主設備。
5.1 PCI總線的狀態(tài)機
　　PCI總線的狀態(tài)機包括三種基本狀態(tài)：無任何總線請求(NO_REQ)、等待周期(WAIT_CYCLE)和幀信號_FRAME的撤消(FRAMED)。其中，_FRAME信號的撤消，意味著當前的總線操作將進入最后一個數(shù)據(jù)傳輸周期，此時，_IRDY有效，一旦 _TRDY也有效,最后一個數(shù)據(jù)傳輸周期就可完成。而判斷_FRAME是否撤消的具體方法就是判斷_FRAME是否出現(xiàn)從低到高的上跳變。圖2所示即為PCI總線的狀態(tài)機。圖中，TIME_OUT為從_GNT發(fā)出到_FRAME變?yōu)橛行试S的PCI總線周期數(shù)。

5.2 PCI總線仲裁器的狀態(tài)機
　　由于此仲裁器最大支持5個PCI總線主控器，所以，需定義5個狀態(tài)Master0、Master1、Master2、Master3、Master4用來區(qū)分當前是哪一個主控器占用總線。至于仲裁器的仲裁狀態(tài)什么時候應該發(fā)生變化則由總線狀態(tài)機的狀態(tài)決定，具體如下：當總線狀態(tài)機處于FRAMED狀態(tài)，表明在最后一個數(shù)據(jù)傳輸周期結束后，它將釋放PCI總線，此時，仲裁器便可撤消對它的_GNT信號，以便去服務于另一個主控器；當總線狀態(tài)機處于NO_REQ狀態(tài)，此時，需要由仲裁器來指定一個缺省的總線占用者；當總線狀態(tài)機處于WAIT_CYCLE狀態(tài)，且允許該設備占用總線的時間限制已到(Timeout)，這時仲裁器也將撤消對它的_GNT信號，以便服務于其它的主設備。所以，若用EnChange來代表允許仲裁器仲裁狀態(tài)發(fā)生變化的條件，則采用AHDL語言的具體編程如下：
　　EnChange ＝ (EnCHstate ＝＝ FRAMED) # (EnCHstate ＝＝ NO_REQ) # (TimeOut[] ＝＝ TIME_OUT)
　　該仲裁器中，由于采用循環(huán)優(yōu)先級算法，仲裁器從每一種仲裁狀態(tài)轉換到其它仲裁狀態(tài)的方法都是一樣的，所以，下面只給出了仲裁器的仲裁狀態(tài)為主控器1時向其它仲裁狀態(tài)的轉換機理(如圖3所示)。另外，若仲裁器在剛啟動時處于無效狀態(tài)，則強制狀態(tài)機在下一個時鐘轉換到Master0態(tài)。

5.3 總線允許信號_GNTi(低電平有效)的建立
　　在PCI對話中，由于_FRAME 和 _IRDY決定著總線的忙/閑狀態(tài)。兩者之中只要有一個信號成立，總線就處于忙碌狀態(tài)；當兩個信號都無效時，總線才處于空閑狀態(tài)。所以建立_GNTi的具體編程如下：
　　!_GNTi＝(GNTstate＝＝Masteri)GLOBAL(_PCIrst)
　　!MaskGNT;%式中，MaskGNT＝ _FRAME _IRDY %
　　總之，本文介紹的PCI總線仲裁器，由于采用單片EPLD即可實現(xiàn)，所以它具有系統(tǒng)結構簡單、成本低、可靠性高、在線修改方便及升級容易等特點。目前，采用該仲裁器的PCI高速總線背板已應用在我們研發(fā)的總線型高性能網(wǎng)絡交換機系列中。經(jīng)過近兩年的實際運行表明，仲裁器工作正常，性能穩(wěn)定可靠。